Квантовый датчик с оптической спиновой накачкой Советский патент 1993 года по МПК G01V3/14 

Изобретение относится к квантовым датчикам магнитного поля и может быть использовано в геофизическом приборостроении при создании квантовых магнитометров, измеряющих слабое магнитное поле Земли.

Цель изобретения - повышение долговременной стабильности частоты, уменьшение габаритов и упрощение устройства.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Квантовый датчик с оптической спиновой накачкой содержит расположенные последовательно световод 1, линзу Френеля 2, дихроичный тонкопленочный я-поляризатор 3, Я /4-фазовращатель 4, являющийся одновременно входной гранью цилиндрической ячейки 5 поглощения, наполненной рабочим газом, линзу Френеля 6, являющуюся одновременно выходной гранью ячейки 5, и фотодиод 7, заключенные в корпус 8. При

этом линза Френеля 2, обращенная к световоду 1, и тонкопленочный дихроичный л - поляризатор 3 плотно соединены, например, клеем с входной гранью 4 ячейки 5, а элементы 2-6 образуют единый конструктивно законченный узел - источник сигнала магнитного резонанса. Усилитель обратной связи и радиочастотная катушка, соединенные с фотодиодом 7, не показаны на чертеже.

Устройство работает следующим образом.

Свет(например, от спектральной цези- евой лампы) распространяется по световоду 1 и падает на линзу Френеля 2, представляющую из себя плоскопараллельную пластину, на которой определенным образом нарезаны кольцевые канавки. После прохождения ее свет становится параллельным, проходит тонкопленочный дихроичный я-поляризатор 3. затем Я /4fe

00

о о

Jbb

ю

00

фазовращатель 4 и приобретает циркулярную о или а поляризацию. Затем свет с циркулярной поляризацией попадает в цилиндрическую ячейку поглощения 5 с рабочим атомным газом (цезием 133) и ориентирует спины атомов в направлении магнитного поля Н.

Входная грань ячейки поглощения 5 одновременно является А/4- фазовращате- лем, а выходная грань этой ячейки 5 выполнена в виде линзы 6 Френеля. Она фокусирует свет на фотодиод 7, диаметр светочувствительной площадки которого существенно меньше диаметра линзы б Френеля и по условиям геометрической оптики примерно равен диаметру световода 1. На фотодиоде 7 вырабатывается фототек + iy sin . На практике фотодиод 7 соединяется с входом усилителя обратной связи, который усиливает переменную составляющую фототока hsinun. Выход усилителя соединен с радиочастотной катушкой, намотанной на ячейку 5 поглощения. Таким образом, возникает автоколебательный режим квантового датчика на частоте а уН . по значению которой определяют величину измеряемого поля Н.

Источник сигнала магнитного резонанса, состоящий из элементов 2-6, выполнен единым узлом и совмещает в себя функции как фокусирующей оптической системы,

кругового ((7 , о ) поляризатора, так и поглощающей ячейки. Такая конструкция узла повышает долговременную стабильность выходной частоты, так как в ней устраняются между элементами 2-6 различия в температуре, влажности и других параметрах внешней среды.

0

5

0

5

0

5

0

Квантовый датчик может быть выполнен компактно и состоит, no-существу, из трех деталей: световода 1, источника сигнала магнитного резонанса - 2-6 и фотодиода 7. Это очень упрощает его конструкцию, настройку и дает возможность получать идентичные характеристики датчиков при их производстве. Такая конструкция позволяет выполнить квантовый датчик предельно малых размеров (объемом 2-3 см3). Кроме того, предлагаемый квантовый датчик позволяет расширить сферу его использования, а именно: открывается возможность проводить измерение магнитного поля как при наличии больших градиентов, так и при измерении поля в малых объемах. Формула изобретения Квантовый, датчик с оптической спиновой накачкой, содержащий расположенные последовательно световод, дихроичный тонкопленочный я-поляризатор, жестко установленный между двумя стеклянными пластинами, Я/4-фазовращатель, ячейку поглощения, наполненную рабочим газом, и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения долговременной стабильности частоты, уменьшения габаритов и упрощения устройства, стеклянная пластина, обращенная к световоду, выполнена в виде линзы Френеля, другая совмещена с Я /4-фазовращателем и одновременно является входной гранью ячейки поглощения, выходная грань ячейки поглощения, обращенная к фотоприемнику, выполнена в виде линзы Френеля, при этом линза Френеля, обращенная к световоду, и тонкопленочный дихроичный л-поляризатор плотно соединены с входной гранью ячейки поглощения.

Использование: изобретение относится к квантовым датчиком магнитного поля и может быть использовано в геофизическом приборостроении при создании квантовых магнитометров, измеряющих слабое магнитное поле Земли. Сущность изобретения: устройство содержит световод, источник сигнала магнитного резонанса и фотодиод. Источник сигнала магнитного резонанса состоит из плотно соединенных между собой линзы Френеля, тонкопленочного дих- роичного я-поляризатора и ячейки поглощения, наполненной рабочим газом. Входная грань ячейки поглощения выполняет одновременно функцию Я /4-фазовраща- теля, а выходная грань (обращенная к фотодиоду) - дополнительно функцию линзы Френеля. 1 ил.